氣‑液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置及其應用的製作方法

2023-10-18 06:48:04

本發明屬於火力發電技術領域，具體涉及一種氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，本發明還涉及利用氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置進行脫除氮氧化物的方法。

背景技術：

火力發電是重要的能源工業和基礎產業，對國家經濟、社會發展以及人民生活水平的提高都具有非常重要的作用；同時火力發電也是主要的排汙行業，據統計，火力發電行業中氮氧化物排放量佔全國排放總量的40％以上。因此，有效控制火力發電廠汙染物的排放對火力發電行業的持續性發展有著重要意義。

目前，應用較為廣泛的去除氮氧化物(NOx)的方法是選擇性催化還原法(簡稱：SCR)。但是，催化還原法在實際的應用中存在一些缺陷，如：成本過高及容易引起二次汙染及氨洩漏等。

近年來，低溫等離子體處理氮氧化物(NOx)是研究熱點，而最常用的產生低溫等離子體的方法是介質阻擋放電。介質阻擋放電是一種強電離放電，它具有放電均勻穩定、容易控制、利用率高及適用於化學反應的優點，因此適用於廢氣處理。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，採用氣-液兩相介質阻擋放電產生的低溫等離子體來去除氮氧化物(NOx)，該方法對低溫等離子處理氮氧化物(NOx)的應用具有一定的指導意義。

本發明的另一目的在於提供利用氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置脫除氮氧化物的方法。

本發明所採用第一種的技術方案是，氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，包括有等離子體反應器，等離子體反應器設置有兩個放電電極，一個放電電極為柱狀銅電極，另一個放電電極為液相水電極；液相水電極外壁貼附有絲網，且液相水電極連接接地不鏽鋼棒，以保證實驗過程中液相接地；柱狀銅電極外壁上貼附有阻擋介質，且阻擋介質為石英板，柱狀銅電極的頂部焊接有不鏽鋼棒，用以連接低溫等離子體實驗電源，低溫等離子體實驗電源分別連接示波器、調壓器，示波器用來對峰值電壓、電流信號進行測量，調壓器用來調節峰值電壓；示波器、調壓器均與電源連接；在柱狀銅電極和液相水電極之間形成放電區域，放電區域一側設置有光譜儀的光纖探頭，光譜儀與計算機連接；等離子體反應器通過氣體導管a與緩衝瓶連接，氣體導入管a通過氣體導入管b連接煙氣分析儀，且氣體導入管a上設置有閥門aF，氣體導入管b上設置有閥門bF；緩衝瓶通過兩根氣管分別連接兩個儲氣罐，且每根氣管上設置一個流量計；等離子體反應器還通過煙氣管與氣體導入管b連接，且在煙氣管上設置有循環泵。

本發明第一種技術方案的特點還在於：

計算機內預設有Morpho2011軟體。

光譜儀的參數為：FX400+，CCD：TCD1304DG-UV，光柵：600L/250nm。

石英板的厚度為0.5mm～1.5mm。

低溫等離子體實驗電源的型號為CTP-2000K。

示波器採用ADS1102數字型示波器。

本發明所採用的第二種技術方案是氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、打開兩個儲氣罐，使N2、NO和O2、溼氣在緩衝瓶內混合均勻，形成混合氣體；打開閥門a以及閥門b，緩衝瓶內的混合氣體經氣體導入管a流入等離子體反應器中，同時緩衝瓶內的混合氣體也經氣體導入管b進入煙氣分析儀中，由煙氣分析儀觀測混合氣體成分，在這一過程中要調節流量計並觀察煙氣分析儀顯示的數據變化，以得到氮氧化物NOx的起始濃度；

步驟2、待步驟1完成後，關閉閥門a以及閥門b，打開循環泵，使緩衝瓶內混合均勻的混合氣體流入等離子體反應器內，並使其在等離子體反應器內保持流動狀態；

步驟3、待步驟1和步驟2完成後，打開低溫等離子體實驗電源和示波器，通過調節調壓器，示波器上所顯示的峰值電壓數值也在變化，當達到所要求的峰值電壓時停止調節，峰值電壓為18kV～21kV，並觀察示波器顯示數據；

在得到峰值電壓的同時開始進行計時，以便於觀察不同的放電時間對處理效果的影響，將時間控制在30s～60s；

步驟4、待步驟3完成後，利用光譜儀的光纖探頭觀測OH自由基的光譜強度，並將得到的OH自由基的光譜強度傳送於計算機中；利用計算機內嵌的Morpho2011軟體對OH自由基的光譜強度進行處理，能得到在放電期間，OH自由基的光譜強度變化。

步驟5、經步驟4，待氣體處理30s後，打開閥門b；

通過煙氣分析儀採樣分析NO和NO2的濃度變化，以得到處理後的氣體成分；

步驟6、將經步驟5得到的數據與經步驟1得到的氮氧化物NOx的起始濃度進行對比，經計算後，即得到氮氧化物NOx處理效率，具體算法如下：

式中：C(NOX0)為處理前NO和NO2的總體積濃度，C(NOX)為處理後NO和NO2的總體積濃度。

本發明第二中技術方案的特點還在於：

在步驟2中，混合氣體在等離子體反應器內的流速主要由循環泵來控制，將流速控制為1L/min～4L/min。

本發明的有益效果是：

(1)本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置結構簡單且容易操作，非常適合推廣使用。

(2)本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置在應用中，採用氣-液兩相介質阻擋放電產生的低溫等離子體去除氮氧化物(NOx)，該研究成果對低溫等離子處理氮氧化物(NOx)的應用具有一定的指導意義。

(3)利用本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，其結果表明：氣-液兩相介質阻擋放電產生的OH自由基光譜強度遠遠大於板板電極的，更有利於氮氧化物(NOx)的去除；提高峰值電壓、氣體停留時間，有利於氮氧化物(NOx)的脫除；增加氣體流速和氮氧化物(NOx)起始濃度抑制氮氧化物(NOx)的去除。

(4)本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置在實際應用中，對於火力發電廠尾氣中的氮氧化物(NOx)能夠進行有效的去除，在一定程度上緩解了火力發電廠汙染大的缺陷，具有較好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置的結構示意圖；

圖2是經測量得到的板板電極DBD與氣-液兩相DBD光譜特性圖；

圖3是氮氧化物(NOx)去除率與峰值電壓的關係圖譜；

圖4是氮氧化物(NOx)去除率與氣體停留時間的關係圖譜；

圖5是氮氧化物(NOx)去除率與氣體流速的關係圖譜；

圖6是氮氧化物(NOx)去除率與起始濃度的關係圖譜。

圖中，1.流量計，2.緩衝瓶，3.計算機，4.光譜儀，5.煙氣分析儀，6.等離子體實驗電源，7.示波器，8.調壓器，9.電源，10.循環泵，11.氣體導管a，12.絲網，13.接地不鏽鋼棒，14.阻擋介質，15.柱狀銅電極，16.放電區域，17.液相水電極，18.儲氣罐，19.氣體導管b，20.光纖探頭，F1.閥門a，F2.閥門b。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

利用等離子體處理廢氣，其機理在於：等離子體中包含大量的高能電子，它們和進入到放電空間的部分廢氣分子、水分子發生碰撞結合等反應，在這一反應進行的過程中能生成大量的OH自由基、HO2、O等活性自由基和具有強氧化性的臭氧O3，它們能與有害氣體分子發生氧化還原化學反應，最後生成無害小分子物質，以NO為例，其中涉及的化學反應式具體如下：

O2+e→e+O+O (1)；

O+O2→O3 (2)；

O+HO→2OH (3)；

H2O+e→e+H+OH (4)；

NO+O→NO2 (5)；

NO+O3→NO2+O2 (6)；

NO+2OH→NO2+H2O (7)；

NO+HO2→NO2+OH (8)；

由上述反應式(1)～反應式(8)可以看出：NO在OH自由基、HO2、O等活性自由基和具有強氧化特性的臭氧O3的作用下被氧化成NO2，然後溶於水生成硝酸，再進行酸鹼結合生成相應的鹽以達到脫硝的目的。由此可見：OH自由基在氮氧化物(NOx)去除中起著重要的作用。

在本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的方法中，採用有液相參與放電活動的氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，在這一過程中能得出峰值電壓、氣體停留時間、氣體流速及氮氧化物(NOx)起始濃度對處理氮氧化物(NOx)效率的影響，並且能分析氣-液兩相介質阻擋放電的光學特性。

本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的方法中採用了氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置。

本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置，其結構如圖1所示，包括有等離子體反應器，等離子體反應器設置有兩個放電電極，一個放電電極為柱狀銅電極15，另一個放電電極為液相水電極17；液相水電極17外壁貼附有絲網12，且液相水電極17連接接地不鏽鋼棒13，以保證實驗過程中液相接地；柱狀銅電極15外壁上貼附有阻擋介質14，且阻擋介質14為石英板，柱狀銅電極15的頂部焊接有不鏽鋼棒，用以連接低溫等離子體實驗電源6，低溫等離子體實驗電源6分別連接示波器7、調壓器8，示波器7用來對峰值電壓、電流信號進行測量，調壓器8用來調節峰值電壓；示波器7、調壓器8均與電源9連接；在柱狀銅電極15和液相水電極17之間形成放電區域16，放電區域16一側設置有光譜儀4的光纖探頭20，光譜儀4與計算機3連接；等離子體反應器通過氣體導管a11與緩衝瓶2連接，氣體導入管a11通過氣體導入管b19連接煙氣分析儀5，且氣體導入管a11上設置有閥門aF1，氣體導入管b19上設置有閥門bF2(其中的氣體導入管a11和氣體導入管b19用來傳輸氣體的)；緩衝瓶2通過兩根氣管分別連接兩個儲氣罐18，且每根氣管上設置一個流量計1；等離子體反應器還通過氣體導管與氣體導入管b19連接，且在氣體導管上設置有循環泵10。

計算機3內預設有Morpho2011軟體，該軟體主要配合光譜儀4使用，將光譜儀4採集到的光譜曲線在電腦上顯示出來，以便觀察。

光譜儀4的參數為：FX400+，CCD：TCD1304DG-UV，光柵：600L/250nm。

石英板的厚度為0.5mm～1.5mm。

低溫等離子體實驗電源6的型號為：CTP-2000K。

示波器7採用ADS1102數字型示波器。

本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、打開兩個儲氣罐18，使N2、NO和O2、溼氣在緩衝瓶2內混合均勻，形成混合氣體；打開閥門aF1以及閥門bF2，緩衝瓶2內的混合氣體經氣體導入管a11流入等離子體反應器中，同時緩衝瓶2內的混合氣體也經氣體導入管b19進入煙氣分析儀5中，由煙氣分析儀5觀測混合氣體成分，在這一過程中要調節流量計1並觀察煙氣分析儀5顯示的數據變化，以得到氮氧化物NOx的起始濃度。

步驟2、待步驟1完成後，關閉閥門aF1以及閥門bF2，打開循環泵10，使緩衝瓶2內混合均勻的混合氣體流入等離子體反應器內，並使其在等離子體反應器內保持流動狀態；

其中，混合氣體在等離子體反應器內的流速主要由循環泵10來控制，最好將流速控制為1.5L/min～2.5L/min。

步驟3、待步驟1和步驟2完成後，打開低溫等離子體實驗電源6和示波器7，通過調節調壓器8並觀察示波器7顯示數據，就能得到所需峰值電壓，最好將峰值電壓控制在18kV～21kV；(通過調節調壓器8，示波器7上所顯示的峰值電壓數值也在變化，當達到實驗所需峰值電壓時停止調節)；

在得到實驗所需峰值電壓的同時，開始進行計時，目的是為了觀察不同的放電時間對處理效果的影響，最好將時間控制在30s～60s。

步驟4、待步驟3完成後，利用光譜儀4的光纖探頭20觀測OH自由基的光譜強度(其中光纖探頭20位於等離子體反應器內放電區域16一側)，並將得到的OH自由基的光譜強度傳送於計算機3中，利用計算機3內嵌的Morpho2011軟體對OH自由基的光譜強度進行處理，能得到在放電期間，OH自由基的光譜強度變化。

步驟5、經步驟4，待達到所需處理時間後(30s)，打開閥門bF2；

通過煙氣分析儀5採樣分析NO和NO2的濃度變化，以得到處理後的氣體成分。

步驟6、將經步驟5得到的數據與經步驟1得到的氮氧化物NOx的起始濃度進行對比，經計算後得到氮氧化物NOx處理效率，具體算法如下：

在上式中：C(NOX0)為處理前NO和NO2的總體積濃度，C(NOX)為處理後NO和NO2的總體積濃度。

發射光譜分析具體如下：

氣-液兩相介質阻擋放電等離子體內部產生的活性粒子種類及其相關參數，對其應用到廢氣處理領域有影響，具體如下：

操作時，如圖1所示，將光譜儀4的光纖探頭20設置在等離子體反應器的一側，用於測量發射光譜。圖2給出了測量得到的在外加電壓為21kV時的板板電極DBD與氣-液兩相DBD光譜特性圖，從圖2中可以看出：在309nm～313nm波長譜線範圍內能找到明顯的OH自由基譜線帶，並且在相同條件下，氣-液兩相DBD的OH自由基光譜強度達到了14000左右，遠遠大於板板電極DBD，所以可以得出：有液相參與的氣-液兩相DBD更適用於氮氧化物(NOx)的處理。

峰值電壓對氮氧化物(NOx)去除率的影響：

峰值電壓對等離子體放電有著很重要的影響；常溫常壓下，在N2/O2/NO/溼氣氣氛下，氣體流速為2.5L/min，氣體停留時間為30秒，氣體相對溼度為36％，電源頻率為11kHz，氮氧化物(NOx)去除率與峰值電壓的關係如圖3所示；由圖3可知：以氮氧化物(NOx)起始濃度為150ppm為例，當峰值電壓小於21kV時，隨峰值電壓的升高氮氧化物(NOx)去除率增幅較大，當峰值電壓大於21kV後，氮氧化物(NOx)去除率接近90％，而後峰值電壓對氮氧化物(NOx)去除率的影響不大；這是因為隨著峰值電壓的升高，OH自由基、HO2、O等活性粒子和O3的濃度在增加，更加促進了反應式(5)、反應式(6)、反應式(7)、及反應式(8)的反應進行，基本能將全部的NO氧化成NO2，所以之後去除率不變。

氣體停留時間對氮氧化物去除率的影響：

常溫常壓下，在N2/O2/NO/溼氣氣氛下，氣體流速為2.5L/min，氣體相對溼度為36％，電源頻率為11kHz，峰值電壓為21kV，NOx去除率與氣體停留時間的關係如圖4所示；由圖4可知：以150ppm為例：當氣體處理時間小於30s時，氮氧化物(NOx)去除率有明顯的增加，當氣體停留時間大於30s時，氮氧化物(NOx)去除率接近90％，並且無明顯變化。這是因為氮氧化物(NOx)氣體在等離子體反應器中的停留時間越長，氣體受高能電子、OH自由基、O和臭氧的作用時間也越長，反應式(5)、反應式(6)、反應式(7)及反應式(8)所進行反應的時間也越長，而使NO氧化成NO2的效率提高。當停留時間大於30s秒後，氮氧化物(NOx)與活性粒子的反應處於平衡狀態，所以氮氧化物(NOx)的去除率變化不大。

氣體流速對氮氧化物(NOx)去除率的影響：

在N2/O2/NO/溼氣氣氛下，氣體停留時間為30秒，氣體相對溼度為36％，電源頻率為11kHz，峰值電壓為21kV時氮氧化物(NOx)去除率與氣體流速的關係如圖5所示；由圖5可知，以150ppm為例：氣體流速小於2.5L/min時，氣體流速對氮氧化物(NOx)去除率的影響比較大；當氣體流速大於2.5L/min時，氣體流速對氮氧化物(NOx)去除率影響比較小。這是因為氣體流速小則NO在反應器內與活性粒子的碰撞機率就增大，反應式(5)、反應式(6)、反應式(7)、反應式(8)所進行的反應也越充分，NO氧化率也就越高，所以氮氧化物(NOx)去除率升高。但是當氣體流速過大時，一方面因為單位體積內被激活的活性粒子數下降，另一方面是NO在反應器內與活性粒子的碰撞機率減小，所以導致氮氧化物(NOx)去除率降低。

起始濃度對氮氧化物(NOx)去除率的影響：

在N2/O2/NO/溼氣氣氛下，氣體停留時間為30秒，氣體相對溼度為36％，電源頻率為11kHz，峰值電壓為21kV時氮氧化物(NOx)去除率與起始濃度的關係如圖6所示；操作時，分別取氣體流速為1L/min、2L/min、3L/min進行對比；由圖6可知：氮氧化物(NOx)的去除率隨著氮氧化物(NOx)初始濃度的增加先增加後減小；以氣體流速為1L/min為例：當氮氧化物(NOx)初始濃度小於150ppm時，氮氧化物(NOx)去除率呈增加趨勢並接近於90％，當氮氧化物(NOx)初始濃度大於150ppm時，氮氧化物(NOx)去除率呈減小趨勢。這是因為在一定的輸入功率下只能產生一定量的活性粒子，並把一定量的NO氧化成NO2。由此可見：選擇合適的氮氧化物(NOx)起始濃度有利於氮氧化物(NOx)的去除。

本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的方法表明：氣-液兩相DBD相比於板板電極DBD能產生更多的OH自由基，更適用於氮氧化物(NOx)的去除。另外，本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的方法中還利用氣-液兩相DBD反應器考察了反應條件對氮氧化物(NOx)去除率的影響：氮氧化物(NOx)去除率隨電壓峰值的升高而升高；隨氣體停留時間的增加先增加而後趨於平穩；隨氣體流速的增加而減小；隨NOx起始濃度的增加先增加後減小。由此可見：氣-液兩相介質阻擋放電等離子體對於火電廠尾氣中的氮氧化物(NOx)能夠進行有效的去除，具有較好的應用前景。

等離子體在放電空間與部分廢氣分子、水分子發生碰撞結合等反應，生成大量的OH自由基、HO2、O等活性自由基和具有強氧化性的O3，它們與NO發生氧化還原化學反應生成NO2，NO2溶於水後生成硝酸，然後進行酸鹼結合生成相應的鹽以達到脫硝的目的。

利用本發明氣-液兩相介質阻擋放電脫除氮氧化物的裝置進行脫除氮氧化物的方法具有成本低、裝置佔地面積小及無二次汙染的優點。而更重要的是：氣-液兩相介質阻擋放電所產生的OH自由基等活性自由基濃度遠遠高於傳統板板電極介質阻擋放電所產生的，因此更有利於氮氧化物(NOx)的脫除。